生物力学 生物力学的力学基础ppt课件

1、.,1,第二章 生物力学的力学基础,一、何谓刚体,第一节 力的基本概念,1、质点：（抽象化的理想模型） 具有一定质量忽略其大小、形状的几何点。,2、刚体： （抽象化的理想模型） 相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体。忽略外力作用下形状的改变。,.,2,二、力的概念,力的定义：,涉及到的概念：,施力物体和受力物体,牛顿第三定律作用力和反作用力,力是物体间的相互作用。 力的作用离不开物体。,.,3,2.力的作用效应：,内效应（变形效应）,外效应（运动效应）（平动、转动、复合运动）,涉及到的概念：,牛顿第一定律力的定性定义,牛顿第二定律力的定量定义,胡克定律力与变形的关系,.,4,3.力的三

2、要素：,三角形、平行四边形、多边形法则,大小、方向、作用点,例如：股骨干骨折施行股骨髁上牵引,复位时间上的差异、成角和横向移位畸形、成角畸形,力的合成与分解法则：,应用：二维投影 *三维二次投影 三维投影,.,5,运动平面,矢状面 额（冠）状面 水平（横切）面,运动轴,矢状轴 额状轴 垂直轴,.,6,肌肉力可分成,例如：肌肉力的合成与分解,以肱二头肌为例,稳固分量（沿骨轴线）,转动分量（垂直骨轴线）,在骨折等治疗中有积极的意义,在肢体运动中有积极的意义,.,7,5. 力系：,二力平衡必要与充分条件是：,力系（多力情况）：,三力平衡汇交定理：,作用于一个物体上的一群力的集合称为力系。,当刚体受三

3、个力作用而平衡时，若其中任何两力 的作用线相交于一点，则其余一力的作用线亦必 交于同一点，且三力的作用线在同一平面内。,这两个力大小相等、方向相反、沿同一条直线。,.,8,力系的分类：,共点力系,平面共点力系,非 共点力系,空间共点力系,平行力系,一般力系,平面平行力系,空间平行力系,例如：,人在弯腰时作用在脊柱上的力 跳高时作用在足上的力 定滑轮转动时力的作用,.,9,*6. 约束和约束反力：,自由体：,可以在空间作任意运动的物体。,非自由体：,由于受到周围物体的限制（或阻碍）而不能作 任意运动的物体。,约束：,事先对物体的运动所加的限制条件。,约束反力：（阻力）,主动力：（动力）,约束作用

4、于非自由体的力。（简称：约束力）,除约束力外，非自由体上所受到的所有促使物体运动或有运动趋势的力。,.,10,三、作用于人体内外的力,人体或人体局部受力分析： （抓住主要矛盾，分离次要矛盾）,受力分析图将分离体所受的主动力和约束力以力 的矢量形式表示在分离体上所得到的图形。,分离体把研究对象解除约束，从周围物体中分离 出来，画出简图。,先画主动力，明确研究对象所受周围的约束，进一步明确约束类型，再画约束反力；,必要时需用二力平衡共线、三力平衡汇交等条件确定某些约束反力的指向或作用线的方位。,.,11,我们多次察觉作用于自己身体的力,我们常常忽略作用于体内诸力的重要性,我们多数不知微观结构上力的

5、作用,.,12,内力：,（按力的宏观、微观分） 内力 外力,外力：,人体内部各个部分互相作用的力 （肌力、韧带张力、软骨应力、骨应力）,重力；摩擦力；弹性力；器械的其他阻力； 支撑反作用力；流体作用力,.,13,（按力的性质分） 1、第一基本力：机械力, 万有引力：,接触力：,摩擦力：,肌肉力：,.,14,肌力定律,解剖横断面：,生理横截面积,肌力 系数,肌力,生理横断面：,与肌肉所有纤维垂直的断面,与肌肉纵轴垂直的断面,.,15,性别：,人种：,后天因素：,肌力系数：,建议取美国莫利斯的肌力系数值：,德国生理学家艾克：588980KPa,美国克罗莫：343KPa,前苏联童克福：980KPa,

6、中国程国杰：588686KPa,美国莫利斯：710920KPa,.,16,与肌纤维解剖条件的关系：,与肌纤维力学条件的关系（略）,与肌纤维生理条件的关系（略）,比较梭形肌、扇形肌、羽状肌、半羽状肌的肌力大小及灵活性。,.,17,2、第二基本力：电力, 电场力：,磁场力：,3、第三基本力：核力,超短距离力,.,18,四、作用于人体的力钜,力矩的表达式：,2. 力矩的三要素：,大小、方向、作用面,大小：,方向：,右手螺旋定则,.,19,第二节 刚体生物静力学,骨骼几何形状的准确解剖学数据 肌肉连接的准确位置和角度 静力平衡定律,确定医疗器械所受的作用力 计算人体肌肉力、骨骼力、关节力,临床上的症状

7、 矫形装置的功能、原理及应用,改进医疗方法 现行医疗方法,.,20,一、平衡条件：,1、 2、,（可分解）,（定转轴）,例题1：（作业一） 靠在墙上的木板已知地面与墙的摩擦系数分别为 ，使木板不下滑的角度。,.,21,静力学问题,例题2： 右图的牵引装置是用来施加一轴向力给折断的股骨 (femur)。设病患之体重70 kg， 若要维持小腿平衡状态，悬吊重量T应为多少？ 试计算在上述条件下施加给大腿的平均张力F是多少？,.,22,解：假设滑轮无摩擦，则缆线在各处的张力T为相同。根据力平衡公式： (一般人之小腿与足部之重量为体重之0.061。设病患之体重70 kg，则m = 0.06170 = 4

8、.27 kg = mg = 41.85 N),.,23,例题3： 某人重75kg，手握重5kg的球，而手肘呈90。 二头肌 (bicep)须出力多少以维持前臂平衡？ 前臂施加多少力于肱骨(humerus)？,.,24,解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重的0.022， 故m = 0.022*75 = 1.65 kg, 臂重心位于rOP = 0.31 m处。 对于肘之支点O，其和力矩为零,手肘的垂直力为FA = 472.6 N 而根据力平衡式，,二头肌施力为FB = 556.7 N手肘的水平力为FC = 144.1 N故前臂的施力为,.,25,解：根据静力平衡和静力矩平衡前臂的重量为体重

9、的0.022，故m = 0.022*75 = 1.65 kg, 臂重心位于rOP = 0.31 m处。 对于肘之支点O，其力矩之和 M = -rOE(-FA) + rOB(-5*9.8j) + rOP(-1.65*9.8j) = 0 =0.05 FA k - 18.62k - 5.01k = 0手肘的垂直力为FA = 472.6 N而根据力平衡式， F = FCi - FAj + FB(-cos75oi + sin75oj) - 49j - 16.17 j = 0 =FC - 0.259FB = 0 and -537.77 + 0.966FB = 0二头肌施力为FB = 556.7 N手肘的水

10、平力为FC = 144.1 N故前臂的施力为F = FCi - FAj = 144.1i - 472.6j (N),.,26,二、人体的杠杆作用：,杆：,骨骼系统,关节（单轴 双轴 多轴）,肌力（动力）,支点：,力：,外力（阻力）,.,27,单轴关节： 滑车关节（指间、膝关节） 圆柱关节（尺桡关节）,双轴关节： 椭圆关节（腕、掌指关节） 鞍状关节（踝关节）,三轴关节： 球窝关节（肩、髋） 平面关节（肩锁关节）,.,28,.,29,1、三种杠杆：,（1）第一类杠杆：,例如.头部杠杆,定义 特点 例子,平衡杠杆,.,30,例如.足部杠杆,（2）第二类杠杆：,定义 特点 例子,省力杠杆,.,31,例

11、如.臂部杠杆,（3）第三类杠杆：,定义 特点 例子,速度杠杆(费力杠杆）,.,32,G=10N,T,.,33,省力,费力,.,34,平衡杠杆,省力杠杆,速度杆杆,.,35,.,36,*省力杠杆在康复中的作用,可负较大重量,加强肌肉保护,(用小的动力克服大的阻力）,.,37,*费力杠杆在康复治疗中的作用,训练肌力： 通过调整阻力臂距离，增加或减少负荷重量。 例：股四头肌渐进抗阻,获得速度： 可通过增加阻力臂，减少动力臂进行，虽然费力，但力点稍移动，即可加大阻力点移 动的速度和范围。,(用大的动力克服小的阻力）,(用小的动力点位移得到大的阻力点位移）,.,38,2、拉角和阻角的影响：,（2）阻角的

12、影响：（阻力与杆的小夹角）,（1）拉角的影响: （动力与杆的小夹角）,在相等的收缩下：拉角越小引起的旋转越大； 拉角越大引起的旋转越小。,在阻力不变的情况下：拉角越小转动分量越小 要用的力越大 拉角越大稳固分量越大 避免脱臼,阻角越大拉力越大,.,39,拉角和肌肉收缩关系图,肌肉收缩：每次收缩全长的八分之一,.,40,3、作用于髋关节的力：,（1）股骨与髋骨的基本结构：,髋骨：,股骨：,髋关节：,髂骨 坐骨 耻骨髋臼,头、颈、大转子、髁（内、外侧髁）、骨端,髋臼、股骨头,.,41,.,42,髋关节的生理构造（外部）,.,43,髋关节的生理构造（内部）,.,44,髋关节的生理构造（骨端）,关节腔

13、隙,CE角,垂直线,水平线,AC角,前倾角,骨小梁 骨端线,.,45,（2）计算,作用于股骨头上的力R和外展肌力F,在单腿站立的状态下：,英曼数据：,外展肌群：,臀大肌、臀中肌、臀小肌,梨状肌、闭孔内外肌、股方肌,阔筋膜张肌,1英尺=0.3048米 1英尺=12英寸,.,46,使腿外展的肌群（肌肉）,臀大肌: 臀大肌起于髂翼外面，骶尾骨后面，止于股骨臀肌粗隆，一部分到髂胫束,臀中肌: 臀中肌起于髂翼外面和臀筋膜，止于股骨大转子,臀小肌: 臀小肌起于髂翼外面，止于股骨大转子前线,阔筋膜张肌: 阔筋膜张肌起于髂前上棘及其后侧的髂嵴，移行于髂胫束达胫骨上端,.,47,股骨,髋关节,.,48,（3）临

14、床联系：,镇痛步态：,外反骨：,骨端分离：,缺血性坏死：,当外展肌麻痹或弱或损伤时；,当髋关节有疾患时；,骨端软骨板向水平面转动,骨端与骨连接断开,供血不足,.,49,（4）康复治疗：,以手杖为例,若手杖支撑1/6体重,N=5/6W,单脚将离开骶骨中心正下方6cm,.,50,作业2：,弯腰角度：,头和上肢的重量：,躯干的重量：,（1）只弯腰双手下垂不提重物,求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用点分躯干：,骶棘作用线与躯干夹角：,.,51,作业2：,弯腰角度：,头和上肢的重量：,躯干的重量：,（2）只弯腰双手下垂提重物（0.2W),求：骶骨顶作用于腰骶椎间盘基部的力

15、R 和骶棘所施加的力F,骶棘作用点分躯干：,骶棘作用线与躯干夹角：,.,52,附加问：,椎间盘脱出、突出的临床表现是什么？,内突和外突的临床表现有什么不同？,为避免脱出、突出手提重物时应如何做？,康复方案？,.,53,人体髋关节运动生物力学模型研究,介绍,天津中医药大学生物力学实验室,.,54,第一方面：选题的科学依据,1、课题所属研究领域 2、课题的理论意义和应用价值 3、国内外研究概况及发展趋势,.,55,1、课题所属研究领域,a：人体髋关节运动生物力学模型研究属于运动生物力学（Biomechanics）的研究范畴 。 b：运动生物力学是一门主要研究运动中人体机械运动规律的科学。 C：运动

16、生物力学的研究最终目的,.,56,2、课题的理论意义和应用价值,a、髋关节重要性,.,57,b、体育运动学方面 为评价运动员动作技术的合理性，设计新的体育训练手段，改善技术动作，提高体育成绩提供理论依据 C、骨科临床医学方面 近20年来，不论是作为生物力学的基础理论研究，还是作为骨科临床上的应用研究，髋关节都是非常受重视的环节，因为不管是对人工髋关节生物材料的研究，还是骨科临床上的髋关节置换术的开展，都必须充分了解髋关节的力学性能 总结：希望通过本次研究能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。,.,58,3、国内外研究概况及发展趋势,a、国外研究概况（Kane 、Hazt

17、e） 多体建模：Kane（美国） 人体仿真：Hazte（南非） 近几年的研究：Miller(4刚体模型),Hazte(11刚体模型)等 b、国内研究概况 1980年12月成立了中国运动生物力学协会 近几年来的研究成果：中国人体尺寸、人体器官密度、，人体环节的惯性参数和回归方程的测定等,.,59,第二方面：课题的具体实施1、技术路线2、研究措施3、进度计划,髋关节的生理构造 髋关节的建模原理与步骤 进度计划,.,60,髋关节建模的原理与步骤,从运动学和动力学两方面通过多体的研究方法进行建模： 第一：确定髋关节模型的组成部分 第二：取得描述髋关节模型的各种数据 第三：确定全局坐标系，组装模型，并使

18、各部件的局部坐标简化 第四：对模型进行校核，消除尺寸误差，限定关节的运动范围 第五：添加约束和运动，将其应用于具体问题,.,61,进度计划（2002.9-2004.6）,课题相关文献查阅：3个月 髋关节生理学特性学习、运动生物力学的深化、多体知识的巩固：3个月左右 髋关节的几何建模：2个月左右 髋关节的运动学建模：3个月左右 髋关节模型运动仿真与控制：3个月左右 通过典型运动计算校核模型：3个月左右,.,62,第三方面：课题预期达到的成果和水平,希望通过多体系统动力学，运动生物力学与控制学建立起较为精确的髋关节力学仿真模型，能够通过该模型分析髋关节运动的变化原理和规律，揭示髋关节的力学运动特性

19、，准确模拟髋关节在运动时的肌肉骨骼状态。并希望能够为以后的理论研究、体育研究和医学研究提供成功的髋关节模型。,.,63,髌骨受力,4、作用于膝关节的力（自学）,.,64,三、人体的平衡,平衡基本状态：,人体平衡：,人体保持某一姿态的稳定性或动态中的控制能力。,静止或匀速直线运动状态,.,65,1、关键在于重心,（1）人体的重心：,从解剖学角度看：左右基本对称（正中偏右）。,当人体自然站立时，总重心的位置一般在身体正 中面上第三骶椎上缘前方7cm偏右处,（2）人体重心位置：,地球对人体各部分引力合力的作用点。,如：,.,66,(3)人体重心的变化特点：,男子的重心高度约为身高的56%， 女子的重

20、心高度约为身高的55%,重心通常会随着消化、呼吸、血液循环等 生理过程的进行而变化,重心通常会随着姿势的变化而变化,重心通常会随着年龄、性别、身体结构、 后天状况等特点而变化, 几何形状固定的物体，不管他怎样运动，其重心相对于自身的位置是不变的。,成人与儿童,男子与女子,体操与足球运动员,.,67,(4)人体重心测量方法, 重心板（一维或二维）实测静态人体的重心位置 摄影和录像获得的人体图像中通过测量和计算获得,第一步：以人体左下角边缘处O点为原点绘出直角坐标系（OXY）。 第二步： 确定各环节点位置。 第三步： 确定头和手的重心位置。头的重心在耳廓上缘中点正面观时在两眉间，手的重心在中指的掌指关节处。 第四步： 连接关节点构成人体棍图。 第五步： 开始测量各环节的相片长度(以毫米为单位)，填入环节长度一栏内。,.,68,第六步: 把各环节重心至近侧端距离占环节长度的比值填入半径系数一栏内。见表21中具体的布拉温菲舍尔环节相对重